电路设计中传感器电路内部的七大噪声

时间:2021-10-01 00:09 作者:华体会
本文摘要:电路设计是传感器性能否良好的关键因素,由于传感器输入末端都是很微小的信号,如果因为噪声造成简单的信号被水淹,那就得不偿失了,所以强化传感器电路的抗干扰设计尤为重要。在这之前,我们必需理解传感器电路噪声的来源,以便找到更佳的方法来减少噪声。总的来说,传感器电路噪声主要有一下七种: 低频噪声 低频噪声主要是由于内部的导电微粒不倒数导致的。

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电路设计是传感器性能否良好的关键因素,由于传感器输入末端都是很微小的信号,如果因为噪声造成简单的信号被水淹,那就得不偿失了,所以强化传感器电路的抗干扰设计尤为重要。在这之前,我们必需理解传感器电路噪声的来源,以便找到更佳的方法来减少噪声。总的来说,传感器电路噪声主要有一下七种:  低频噪声  低频噪声主要是由于内部的导电微粒不倒数导致的。尤其是碳膜电阻,其碳质材料内部不存在许多微小颗粒,颗粒之间是不倒数的,在电流流到时,不会使电阻的导电亲率发生变化引发电流的变化,产生类似于接触不良的闪爆电弧。

另外,晶体管也有可能产生相近的烧焦噪声和闪光噪声,其产生机理与电阻中微粒的不连续性相似,也与晶体管的掺入程度有关。  半导体器件产生的散粒噪声  由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引发积累在此区域的电荷数量转变,从而显露出电容效应。当另加相反电压增高时,N区的电子和P区的空穴向消耗区运动,相等于对电容电池。

当相反电压增大时,它又使电子和空穴靠近消耗区,相等于电容静电。当另加偏移电压时,消耗区的变化忽略。当电流流经势垒区时,这种变化不会引发流到势垒区的电流产生微小波动,从而产生电流噪声。

其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。    高频热噪声  高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高,电子运动就就越白热化。

导体内部电子的无规则运动会在其内部构成很多微小的电流波动,因其是无序运动,故它的平均值总电流为零,但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被终端缩放电路后,其内部的电流就不会被缩放沦为噪声源,尤其是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响常有。  一般来说在工频内,电路的热噪声与通频带成正比,合频带就越长,电路热噪声的影响就越大。以一个1k的电阻为事例,如果电路的通频带为1MHz,则呈现出在电阻两端的开路电压噪声有效值为4V(另设温度为室温T=290K)。看上去噪声的电动势并不大,但假设将其终端一个增益为106倍的缩放电路时,其输入噪声平均4V,这时对电路的阻碍就相当大了。

  电路板上的电磁元件的阻碍  许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件,在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围电磁辐射能量,其能量不会对周围的电路产生阻碍。像继电器等元件其重复工作,合断电时会产生瞬间的偏移高压,构成瞬时浪涌电流,这种瞬间的高压对电路将产生很大的冲击,从而相当严重阻碍电路的长时间工作。  晶体管的噪声  晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪光噪声。

  热噪声是由于载流子点状的热运动通过BJT内3个区的体电阻及适当的引线电阻内敛产生。其中rbb所产生的噪声是主要的。  一般来说所说的BJT中的电流,只是一个平均值。实质上通过发射结流经到基区的载流子数目,在各个瞬时都不完全相同,因而发射极电流或集电极电流都若无规则的波动,不会产生散粒噪声。

  由于半导体材料及生产工艺水平使得晶体管表面洗手处置很差而引发的噪声称作闪光噪声。它与半导体表面少数载流子的填充有关,展现出为发射极电流的平缓,其电流噪声序密度与频率近似于成反比,又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要起到。

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  电阻器的噪声  电阻的阻碍来自于电阻中的电感、电容效应和电阻本身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻,可等效为电阻R、寄生电容C、宿主电感L的串并联。

一般来说,寄生电容为0.1~0.5pF,宿主电感为5~8nH。在频率低于1MHz时,这些宿主电感电容就不可忽视了。  各类电阻都会产生热噪声,一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的闸极电阻)并未终端电路时,在频带宽度B内所产生的热噪声电压为:  式中:k为玻尔兹曼常数;T是绝对温度(单位:K)。

热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数,因此,它的频率范围是很宽阔的。所以宽频带上缩放电路不受噪声的影响比较宽频带大。  另外,电阻还不会产生认识噪声,其认识噪声电压为:  式中:I为流到电阻的电流皆方值;f为中心频率;k是与材料的几何形状有关的常数。由于Vc在低频段起最重要的起到,所以它是低频传感器电路的主要噪声源。

  集成电路的噪声  集成电路的噪声阻碍一般有两种:一种是辐射式,一种是传导式。这些噪声棘刺对于相接在同一交流电网上的其他电子设备不会产生较小影响。噪声频谱拓展至100MHz以上。

在实验室中,可以用高频示波器(100MHz以上)仔细观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地插槽之间的波形,不会看见噪声棘刺峰-峰值可约数百毫伏甚至伏级。


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